談高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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摘要:現(xiàn)如今,我國(guó)的大部分城市內(nèi)都是高樓聳立,然而高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較復(fù)雜又系統(tǒng)的工程,尤其是高層抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是會(huì)直接影響到高層建筑的質(zhì)量,特別是在地震的多發(fā)區(qū),其影響更為嚴(yán)重,所以,這就需要設(shè)計(jì)人員要充分認(rèn)識(shí)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的問題,同時(shí)進(jìn)行不斷總結(jié)和改進(jìn),從而促使高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步完善化。
關(guān)鍵詞:高層建筑;抗震結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)
隨著我國(guó)城鎮(zhèn)人口的持續(xù)性增多、城市規(guī)劃的進(jìn)一步拓展,在一定程度上促使我國(guó)高層建筑得到了迅速的發(fā)展。可是,受到地震等各種自然災(zāi)害頻頻出現(xiàn)的影響,人們的正常生活及生命財(cái)產(chǎn)受到了巨大的威脅,為此,高層建筑設(shè)計(jì)中,做好抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。
1高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
一是整體性原則。大家都知道,高層建筑的樓蓋對(duì)于其結(jié)構(gòu)的整體性占據(jù)著不可或缺的位置,樓蓋就類似于一個(gè)橫向的水平隔板,將慣性力聚集起來,并向各個(gè)豎向抗側(cè)力的子結(jié)構(gòu)傳遞,尤其是當(dāng)這些子結(jié)構(gòu)的布置不均勻或過于復(fù)雜時(shí),樓蓋則可以很好地將這些抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)組織起來,然后進(jìn)行協(xié)同合作,來承受地震的作用;二是簡(jiǎn)單性原則。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性主要是指在地震的作用下,要具有極其明確清晰的直接傳力方式,在相關(guān)的規(guī)范中對(duì)于結(jié)構(gòu)體系也是有著明確的要求,即結(jié)構(gòu)體系要有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖以及合理的地震作用傳遞途徑,換句話說就是,只有高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)足夠簡(jiǎn)單,才能夠分析出結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型、內(nèi)力以及位移,從而促使高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能得到真實(shí)性的可靠預(yù)測(cè)。
2高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法介紹
2.1正確挑選施工場(chǎng)地
對(duì)于高層建筑而言,挑選正確的施工場(chǎng)地是非常重要的。需遵循場(chǎng)地的種類對(duì)建筑的地震力進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算,同時(shí)需對(duì)場(chǎng)地做出系統(tǒng)性淺析,將地震的危害度進(jìn)行了解,按照相關(guān)規(guī)范做好建筑地基的處理,通過對(duì)地震強(qiáng)度、場(chǎng)地土層實(shí)際厚度、斷裂地質(zhì)的歷史等因素的分析確定地震的斷裂情況,這樣便能夠確定建筑物要避讓的距離,從而成功地避開對(duì)施工不利的地段,若沒辦法成功避開這些地段,那么就要選擇適合的抗震措施來加入到建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容當(dāng)中。高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,需在性質(zhì)一致的地基中進(jìn)行同一結(jié)構(gòu)單元的設(shè)置,盡可能地選擇相同的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)?shù)鼗邪夯?、新近填土、土層?yán)重不均勻等問題存在的情況下,需采取相應(yīng)的措施來進(jìn)一步強(qiáng)化地基的整體性和剛性,這樣才能夠促使高層建筑的穩(wěn)定性得到基礎(chǔ)的保證。譬如,底層框架結(jié)構(gòu)因其實(shí)用性是非常顯著的,為此得到了大范圍的投入使用,可是,此結(jié)構(gòu)的上層剛度非常大,下層剛度比較小,其上下屬性存在明顯的差異性,在地震發(fā)生的情況下,整個(gè)建筑的抗扭曲性能是非常低的,極易導(dǎo)致建筑的倒塌、斷裂。所以,在抗震區(qū)域要盡可能地不用此種結(jié)構(gòu),或者將其上下層剛度性質(zhì)做出調(diào)整,這樣才能夠確保其抗震性能得到基本的保證。
2.2減少地震時(shí)的能量輸入
高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,可選擇基于位移的結(jié)構(gòu)抗震法實(shí)施定量性分析,這樣才能夠確保建筑結(jié)構(gòu)的變形性能達(dá)到預(yù)期地震作用下地形的變形需求。我們需在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載性能進(jìn)行驗(yàn)算的基礎(chǔ)上,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角限值、位移延性比進(jìn)行科學(xué)合理性的掌控。按照建筑構(gòu)件的實(shí)際變形與建筑結(jié)構(gòu)位移間的聯(lián)系,將構(gòu)件的變形值加以最終的確定。通過建筑截面的應(yīng)變情況確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。針對(duì)高層建筑若是在比較堅(jiān)硬的場(chǎng)地進(jìn)行施工的話,那么就能夠?qū)⒌卣鸢l(fā)生時(shí)的能力輸入降到最低的程度,將地震給高層建筑造成的影響減少到最小。
2.3隔震與消能減震設(shè)計(jì)
在當(dāng)前的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通常運(yùn)用的是以往的抗震結(jié)構(gòu)體系即延性結(jié)構(gòu)體系。這種抗震結(jié)構(gòu)體系是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行的系統(tǒng)性掌控,在有地震發(fā)生的時(shí)候,會(huì)使得整個(gè)建筑構(gòu)件處在一種非彈性狀態(tài)下,這樣會(huì)使得其延性得到進(jìn)一步增加,對(duì)地震發(fā)生時(shí)能量的消耗起到一定的輔助作用,將地震效應(yīng)產(chǎn)生的影響降到最低,可有效避免建筑物倒塌的發(fā)生。除此之外,可采取相應(yīng)的隔震措施,將高層建筑的動(dòng)力特性進(jìn)行科學(xué)的更改,這樣能降低地震作用于建筑物的力,并且可利用高延性結(jié)構(gòu)將地震效應(yīng)降到最低。
2.4充分重視抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,我們?cè)谔嵘ㄖ拐鹦阅艿耐瑫r(shí),需兼顧到建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性能情況。一般情況下,高層建筑會(huì)選用框、筒框架、支撐結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)前,我國(guó)的鋼材生產(chǎn)數(shù)量非常大,鋼結(jié)構(gòu)加工制造水平得到了明顯升高,所以,在高層建筑中可最大限度上以鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為主,這樣能夠使得柱斷面尺寸大大縮減,對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的改善是非常有利的。
2.5減小高層建筑結(jié)構(gòu)自重
若是在相同的地基承載能力條件下,減輕高層建筑結(jié)構(gòu)的自身重量,就可以使其在不增加地基以及造價(jià)的情況下,增加高層建筑的層數(shù),研究顯示,由于高層建筑的高度很高,所以其重心也相應(yīng)較高,然而建筑的重量越大,受地震作用的傾覆力矩的效應(yīng)也就越大,所以,在高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,我們要盡量采用輕質(zhì)材料來填充高層建筑物的填充墻及隔墻,以減輕建筑的自重。
2.6設(shè)置多道抗震防線
我們提倡采用由兩個(gè)與兩個(gè)以上同時(shí)延性較好的分體系組成的一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系,這是由于在發(fā)生地震時(shí)通常都會(huì)帶有余震,倘若只有一道抗震防線,那么就很難防止由于某一結(jié)構(gòu)損傷而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)坍塌的情況發(fā)生,所以,在構(gòu)建高層建筑抗震結(jié)構(gòu)體系時(shí),我們首先要有最大可能數(shù)量的內(nèi)外部冗余度;其次還要建立一套分布完整的屈服體系;最后,該體系的主要耗能構(gòu)件一定要有較高的延性和充足的剛度,以確保建筑物在遭遇地震災(zāi)害時(shí),其強(qiáng)烈的地震作用對(duì)其的危害,這樣在第一道防線崩潰的狀況下,抵擋后續(xù)地震波的沖擊還有第二道防線和第三道防線。
3高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的前景分析
從目前的形勢(shì)來看,今后若干年,中國(guó)仍將是世界上修建高層建筑最多的國(guó)家,這也將會(huì)給高層建筑抗震設(shè)計(jì)帶來新的難題,一是對(duì)于影響高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵因素就是建筑材料的選用,提高每一項(xiàng)建筑材料的抗震指標(biāo)可以很好地提高高層建筑的整體抗震性能,因此,科研人員需要加強(qiáng)對(duì)于新型復(fù)合高性能的建筑材料的研發(fā),以促進(jìn)抗震技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)而滿足高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求;二是對(duì)于不同抗震能力的需求,要采取相應(yīng)的抗震措施,甚至是對(duì)于同一個(gè)高層建筑的不同部位和樓層以及對(duì)于性能的要求不相同時(shí),都要選用不同標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件;三是計(jì)算機(jī)模擬抗震試驗(yàn)都得到廣泛應(yīng)用,將制作好的模型或結(jié)構(gòu)構(gòu)件放在模擬地震振動(dòng)臺(tái)上,在臺(tái)面輸入某一確定性的地震記錄,就能夠較好地反映該次確定性地震作用的效果,計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境可以擬真抗震效果,進(jìn)而幫助改進(jìn)各因素,從而做到有效抗震,另外,高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算方法也會(huì)有新的轉(zhuǎn)變。即從線性分析向非線性分析的轉(zhuǎn)變,從確定性分析向非確定性分析的轉(zhuǎn)變,從振型分解反應(yīng)分析向時(shí)程分析法的轉(zhuǎn)變。
4結(jié)語(yǔ)
高質(zhì)量的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在達(dá)到建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的密切配合的前提下加以完成的,高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因此,設(shè)計(jì)人員一定要綜合多方面的因素進(jìn)行分析,同時(shí),還要結(jié)合新型的高性能材料以及抗震結(jié)構(gòu)理念,提高對(duì)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平,進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。
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作者:劉杰 韓育勝 單位:遼寧震興建筑工程有限公司 營(yíng)口市誠(chéng)信工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司